一種大腦皮層功能區(qū)定位裝置、方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及神經(jīng)外科領(lǐng)域。具體地說(shuō)是一種大腦皮層功能區(qū)定位裝置、方法和系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 臨床上，在神經(jīng)外科手術(shù)之前，為了保證手術(shù)的效果，需要進(jìn)行充分而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男g(shù)前 評(píng)估。已有研究表明，大腦皮層上不同的區(qū)域，對(duì)應(yīng)于人體的不同功能，如運(yùn)動(dòng)區(qū)、語(yǔ)言區(qū)、 視覺(jué)區(qū)等等。在神經(jīng)外科手術(shù)中，一方面需要切除大腦皮層上導(dǎo)致神經(jīng)疾病的病灶區(qū)域，一 方面又要盡可能多的保留患者的運(yùn)些正常功能區(qū)，W盡量降低患者正常人體功能的損失。 為實(shí)現(xiàn)運(yùn)一目標(biāo)，就需要在術(shù)前評(píng)估時(shí)，對(duì)大腦皮層上的主要功能區(qū)域進(jìn)行精確定位，從而 更清晰的界定手術(shù)中要切除的病灶區(qū)和要保留的正常功能區(qū)之間的解剖界限，最終得W提 高患者術(shù)后的生活質(zhì)量。
[0003] 對(duì)于大腦皮層上運(yùn)動(dòng)功能區(qū)的定位，最核屯、的邏輯就是，在大腦皮層的特定解剖 區(qū)域和人體的特定功能之間，建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系。有兩種基本模式:一是向大腦輸入，即通過(guò) 技術(shù)手段刺激特定的皮層區(qū)域，同時(shí)觀察人體出現(xiàn)怎樣的反應(yīng)、執(zhí)行怎樣的功能，如手動(dòng)腳 動(dòng)等，那么就認(rèn)為運(yùn)個(gè)皮層區(qū)域的輸入導(dǎo)致了人體激活該項(xiàng)功能;運(yùn)種模式的典型技術(shù)是 皮層電刺激。第二種模式則是反過(guò)來(lái)，觀察大腦輸出，即通過(guò)語(yǔ)音或圖像等方式的提示，讓 受試執(zhí)行指定的任務(wù)，如動(dòng)手、動(dòng)腳等，同時(shí)觀察大腦皮層的哪些區(qū)域產(chǎn)生了相應(yīng)的活動(dòng)， 如大腦血液供給增加或腦電波的發(fā)放，那么就認(rèn)人體執(zhí)行該項(xiàng)功能時(shí)需要大腦運(yùn)個(gè)皮層區(qū) 域的參與;運(yùn)種模式的技術(shù)很多，包括功能核磁共振成像、頭皮腦電圖、煩內(nèi)腦電圖等等。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中的大腦皮層功能定位方法，主要存在W下幾種方法：
[0005] (1)皮層電刺激技術(shù)
[0006] 運(yùn)是一種直接向大腦進(jìn)行輸入的方法。
[0007] 其基本原理為：大腦皮層由海量的神經(jīng)細(xì)胞組成，而運(yùn)些神經(jīng)細(xì)胞之間的信息傳 遞，是通過(guò)發(fā)放和傳遞電生理信號(hào)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果對(duì)大腦皮層施加一個(gè)外加的電刺 激，也會(huì)激活相應(yīng)的神經(jīng)細(xì)胞群。那么，將電極植入受試的煩骨內(nèi)部，與大腦皮層形成接觸， 即所謂煩內(nèi)電極。然后，通過(guò)成對(duì)的煩內(nèi)電極，對(duì)大腦皮層的相應(yīng)觸點(diǎn)發(fā)放特定頻率和強(qiáng)度 的電流，即對(duì)皮層進(jìn)行電刺激，觀察該皮層區(qū)域所對(duì)應(yīng)的肢體功能是否有相應(yīng)的反應(yīng)，就可 W確定運(yùn)動(dòng)區(qū)在大腦皮層上的位置。運(yùn)種方法能夠精確定位感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)，是臨床上確定大 腦皮層功能區(qū)的"金標(biāo)準(zhǔn)"，所謂"金標(biāo)準(zhǔn)"，即臨床醫(yī)學(xué)界公認(rèn)的診斷疾病的最可靠、最準(zhǔn) 確、最好的診斷方法，其它診斷方法的準(zhǔn)確與否，都要W其為判斷標(biāo)準(zhǔn)。
[0008] 該方案存在的缺陷如下：首先，檢查時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要2~4小時(shí)；受試出現(xiàn)陽(yáng)性 反應(yīng)的闊值差別很大，較大的刺激強(qiáng)度容易在煩內(nèi)擴(kuò)散而引起遠(yuǎn)隔區(qū)域的激活，導(dǎo)致結(jié)果 的誤判;特別是對(duì)于神經(jīng)外科中的癒痛病人，功能區(qū)附近的電刺激容易誘發(fā)癒痛發(fā)作或后 放電的出現(xiàn)，使測(cè)試無(wú)法進(jìn)行。
[0009] (2)功能磁共振成像技術(shù)
[0010] 運(yùn)是一種無(wú)創(chuàng)的觀察大腦輸出的方法。
[0011] 其基本原理為：當(dāng)大腦皮層的某個(gè)區(qū)域執(zhí)行其對(duì)應(yīng)的功能時(shí)，該區(qū)域中的神經(jīng)細(xì) 胞，會(huì)消耗大量的能量，就需要增加葡萄糖和氧等能量物質(zhì)的供給。而運(yùn)些能量，需要由分 布于神經(jīng)細(xì)胞周邊的血管中的血液攜帶而來(lái)，即需要血管中血流的增加。而大腦中血流的 變化，又會(huì)導(dǎo)致該腦區(qū)的磁場(chǎng)發(fā)生變化;而運(yùn)種磁場(chǎng)的變化，又可W被一種被稱(chēng)為磁共振成 像儀的設(shè)備所檢測(cè)到。那么，如果受試在執(zhí)行某項(xiàng)功能時(shí)，我們通過(guò)磁共振成像儀觀察到其 大腦皮層的特定區(qū)域的磁場(chǎng)發(fā)生了變化，就可W認(rèn)為該腦區(qū)在執(zhí)行運(yùn)個(gè)功能時(shí)被激活，也 就實(shí)現(xiàn)了大腦皮層的功能定位。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于完全無(wú)創(chuàng)的全腦檢測(cè)，W及較高的空間 分辨率。
[0012] 該方案存在的缺陷為:設(shè)備本身和檢查費(fèi)用都很昂貴;設(shè)備無(wú)法移動(dòng)，無(wú)法在患者 床旁進(jìn)行檢查;實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜。
[0013] (3)煩內(nèi)腦電圖技術(shù)
[0014] 運(yùn)是一種有創(chuàng)的觀察大腦輸出的方法。
[0015] 其基本原理為：煩內(nèi)腦電圖和皮層電刺激技術(shù)，使用同樣的煩內(nèi)電極。所不同的 是，煩內(nèi)腦電圖不是像皮層電刺激那樣的向大腦皮層發(fā)射電流，而是通過(guò)煩內(nèi)電極，記錄受 試在執(zhí)行某項(xiàng)功能時(shí)，大腦皮層自身所產(chǎn)生的神經(jīng)生物電活動(dòng)。煩內(nèi)電極按照其形狀和安 裝位置的不同，可分為兩種，即表面電極和深部電極。表面電極呈片狀或網(wǎng)狀，需要通過(guò)開(kāi) 煩手術(shù)掀開(kāi)受試的煩骨，把表面電極放置在大腦皮層表面。深部電極呈長(zhǎng)條狀，是通過(guò)在煩 骨上鉆孔把電極插入大腦的深部組織當(dāng)中。
[0016] 該方案的實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。計(jì)算機(jī)4中的實(shí)驗(yàn)軟件，通過(guò)顯示器向受試顯示屏 幕提示1。受試位于顯示器之前，根據(jù)顯示器上的屏幕提示1如："動(dòng)手指"、"動(dòng)舌頭"），執(zhí)行 各種運(yùn)動(dòng)任務(wù)。與此同時(shí)，位于受試煩骨內(nèi)部的若干煩內(nèi)電極2,采集到受試大腦皮層的神 經(jīng)生物電信號(hào)，并將該信號(hào)通過(guò)腦電放大器3,最終傳送到計(jì)算機(jī)4中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和 存儲(chǔ)。同時(shí)，為了在受試的腦電信號(hào)和他所執(zhí)行的動(dòng)作之間建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算機(jī)在呈現(xiàn) 屏幕提示1的同時(shí)，會(huì)發(fā)送一個(gè)同步信號(hào)給腦電放大器，腦電放大器把運(yùn)個(gè)同步信號(hào)5和煩 內(nèi)的腦電信號(hào)，一起傳遞給計(jì)算機(jī)。最后在計(jì)算機(jī)中，使用功率譜建模的方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 處理和分析。
[0017] 大腦運(yùn)動(dòng)皮層功能定位實(shí)驗(yàn)的基本范式是，首先向受試呈現(xiàn)屏幕指示，讓受試執(zhí) 行一個(gè)運(yùn)動(dòng)任務(wù)，然后記錄受試的大腦皮層中的響應(yīng)事件信號(hào);進(jìn)一步，通過(guò)分析受試所執(zhí) 行任務(wù)和響應(yīng)事件信號(hào)之間的相關(guān)性，來(lái)確定大腦皮層區(qū)域所對(duì)應(yīng)的功能。實(shí)驗(yàn)中有一個(gè) 重要的問(wèn)題，即：受試到底是何時(shí)真正的執(zhí)行所要求的任務(wù)W及產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)的事件信 號(hào)的？也就是說(shuō)，實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)精確的時(shí)間同步標(biāo)記，來(lái)記錄受試的執(zhí)行任務(wù)和響應(yīng)時(shí)刻信 息，運(yùn)樣才能在刺激和對(duì)應(yīng)的響應(yīng)之間，建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，后面的相關(guān)分析才能成為可能。 目前，一般采用的方法為：向受試顯示屏幕提示的同時(shí)，向神經(jīng)信號(hào)的采集儀器(如腦電放 大器)發(fā)送一個(gè)同步信號(hào)，用W和受試執(zhí)行任務(wù)時(shí)刻的腦電信號(hào)進(jìn)行同步。
[0018] 該方案存在缺陷如下：使用屏幕提示作為事件同步標(biāo)記的方式，其假設(shè)受試在看 到屏幕提示后，會(huì)立刻執(zhí)行任務(wù)，同時(shí)大腦皮層產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)。但運(yùn)個(gè)假設(shè)在某些實(shí)驗(yàn)范式 中并不成立。如圖2所示，屏幕提示和同步信號(hào)都在tl時(shí)刻發(fā)出，受試可能在t2時(shí)刻才真正 開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并在t3時(shí)刻產(chǎn)生腦電信號(hào)。t2和t3時(shí)刻同步的，但是tl和t2時(shí)刻并不同步，因?yàn)?受試可能在看到屏幕提示后一段時(shí)間才真正開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，那么在tl和t2時(shí)刻之間，就會(huì)產(chǎn)生 一個(gè)時(shí)間差A(yù)t,運(yùn)個(gè)時(shí)間差會(huì)因受試的身體情況、行動(dòng)能力或者理解能力的不同而不同。 也就是說(shuō)，運(yùn)種在屏幕提示同時(shí)所產(chǎn)生的同步標(biāo)記，無(wú)法準(zhǔn)確的反映受試實(shí)際的執(zhí)行任務(wù) 和響應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間，進(jìn)一步也會(huì)影響之后的相關(guān)分析和皮層功能定位的準(zhǔn)確性。
[0019] 此外，該方案中所采集的原始腦電數(shù)據(jù)，并不能直接用來(lái)進(jìn)行皮層功能定位，而是 要進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。既然煩內(nèi)腦電是一種電信號(hào)，必然包含頻率高低不同的各 個(gè)成分，而其中的高頻成分(大于60化）的能量變化，和大腦的運(yùn)動(dòng)區(qū)具有很好的對(duì)應(yīng)性。和 皮層電刺激相比，運(yùn)個(gè)頻段采集的是大腦在任務(wù)狀態(tài)下的自發(fā)性的生理活動(dòng)，沒(méi)有任何額 外的刺激輸入，避免了外來(lái)刺激的干擾。現(xiàn)有技術(shù)中基于高頻煩內(nèi)腦電的研究，主要依靠功 率譜建模的方法，即比較任務(wù)狀態(tài)和休息狀態(tài)下，煩內(nèi)腦電的高頻能量是否有明顯的變化。
[0020] 高頻煩內(nèi)腦電的功率譜建模方法存在的缺陷為:算法復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。需要在被 試執(zhí)行任務(wù)之前，采集10分鐘甚至更長(zhǎng)的無(wú)任務(wù)狀態(tài)信息，來(lái)建立統(tǒng)計(jì)模型。需要受試長(zhǎng)時(shí) 間執(zhí)行肢體任務(wù)，需要受試有很好的精神狀態(tài)和配合橫渡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 為此，本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題在于現(xiàn)有技術(shù)中的信號(hào)同步方法不能達(dá) 到真正的同步，存在同步誤差，影響后續(xù)處理的準(zhǔn)確性，從而提出一種可W很好的實(shí)現(xiàn)信號(hào) 同步的大腦皮層功能區(qū)定位裝置、方法和系統(tǒng)。
[0022] 本發(fā)明所要解決的另外一個(gè)技術(shù)問(wèn)題在于現(xiàn)有技術(shù)中的高頻煩內(nèi)腦電的功率譜 建模方法存在算法復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，從而提出一種計(jì)算量小、實(shí)驗(yàn)時(shí)間短的大腦皮 層功能區(qū)定位方法和裝置。
[0023] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0024]